"Химия", Кузнецова Н.Е., Титова И.М., Гара Н.Н.
Энергетика химических реакций изучает, как изменяется энергия веществ при химических превращениях. Главная характеристика процесса — тепловой эффект: количество теплоты, которое реакция выделяет или поглощает. По этому признаку реакции делят на экзотермические и эндотермические. Умение читать термохимические уравнения помогает определять направление передачи теплоты и рассчитывать её количество для заданной массы или количества вещества.
Текст подготовлен нейронной сетью по теме параграфа и не заменяет учебник — важные факты и формулировки сверяйте с ним.
Энергетика химических реакций — раздел химии, изучающий энергетические изменения при протекании реакций. Она показывает, откуда берётся энергия и куда она передаётся. Эти сведения нужны, чтобы сравнивать реакции и рассчитывать выделение или поглощение теплоты.
Тепловой эффект химической реакции — количество теплоты, которое выделяется или поглощается при реакции. Его обозначают буквой Q и связывают с конкретными количествами веществ в уравнении. По числовому значению Q можно вычислить теплоту для другой порции вещества.
Экзотермическая реакция — реакция, сопровождающаяся выделением теплоты. При ней окружающая среда обычно нагревается, а тепловой эффект в принятой школьной записи считают положительным. Примеры — горение топлива и многие реакции соединения.
Эндотермическая реакция — реакция, сопровождающаяся поглощением теплоты. Энергия поступает из окружающей среды, поэтому система или сосуд могут охлаждаться. Отрицательный знак Q указывает именно на поглощение теплоты.
Химическая реакция начинается с разрушения связей в исходных веществах, а на этот процесс нужна энергия. Затем атомы образуют новые связи, и при этом энергия выделяется. Поэтому нельзя судить о реакции только по одному этапу: учитывают одновременно затраты на разрыв и отдачу при образовании связей.
Если при образовании новых связей выделяется больше энергии, чем поглощается при разрушении старых, избыток уходит в окружающую среду. Реакция становится экзотермической, а температура системы или окружающего сосуда обычно повышается. Если затраты больше выделения, недостающая энергия поступает извне, и реакция эндотермическая.
Направление передачи теплоты определяет различие между двумя типами реакций. При экзотермическом процессе теплота идёт от системы к окружающей среде, а при эндотермическом — от окружающей среды к системе. Температура меняется не сама по себе: она показывает результат обмена энергией, но может зависеть и от условий опыта.
Тепловой эффект записывают в термохимическом уравнении — уравнении реакции, дополненном значением Q и агрегатными состояниями веществ. Например: 2H₂(г) + O₂(г) = 2H₂O(ж) + 572 кДж. Состояния (тв.), (ж), (г) и (р-р) важны, потому что переход между ними сопровождается энергетическими затратами или выделением энергии.
Коэффициенты уравнения показывают количества веществ, которым соответствует указанная теплота. В примере 572 кДж относятся к образованию 2 моль жидкой воды из 2 моль водорода и 1 моль кислорода. Если взять вдвое меньше вещества, выделится вдвое меньше теплоты, поэтому для расчёта используют пропорцию между количеством вещества и Q.
| Признак | Экзотермическая реакция | Эндотермическая реакция |
|---|---|---|
| Направление передачи теплоты | От системы к окружающей среде | От окружающей среды к системе |
| Изменение температуры окружающей среды | Обычно повышается | Обычно понижается |
| Знак теплового эффекта | Q > 0 | Q < 0 |
| Примеры реакций | Горение метана, угля, водорода | Разложение некоторых веществ при нагревании, фотосинтез |
| Изображение теплового эффекта в уравнении | Теплота записана справа, среди продуктов | Теплота записана слева, среди исходных веществ |
При чтении таблицы сначала определите направление передачи теплоты, а затем проверьте знак Q. Запись теплоты слева или справа удобна для понимания процесса, но числовое значение всегда относится к веществам и коэффициентам всего уравнения.
Температура — полезный признак, однако в реальном опыте она зависит от теплоизоляции, массы раствора и других условий. Поэтому окончательный вывод делают по условию задачи или по термохимическому уравнению.
При горении метана выделяется теплота. Нужно определить, является ли эта реакция экзотермической или эндотермической, связав условие с направлением передачи энергии.
Ответ: реакция горения метана экзотермическая.
По уравнению 2H₂(г) + O₂(г) = 2H₂O(ж) + 572 кДж требуется определить, сколько теплоты выделится при образовании 1 моль воды. Указанные 572 кДж соответствуют именно 2 моль воды, поэтому сразу подставлять это число нельзя.
Ответ: при образовании 1 моль воды выделится 286 кДж теплоты.
При образовании 2 моль жидкой воды из водорода и кислорода выделяется 572 кДж. Нужно записать уравнение, соблюдая закон сохранения атомов, указав состояния веществ и тепловой эффект.
Ответ: 2H₂(г) + O₂(г) = 2H₂O(ж) + 572 кДж.
Путают выделение и поглощение теплоты. Иногда ученик ориентируется только на ощущение температуры пробирки и забывает о направлении передачи энергии. Проверьте: теплота ушла из системы — реакция экзотермическая, поступила в систему — эндотермическая.
Неверно ставят знак теплового эффекта. Причина — смешение школьной записи Q с другими соглашениями о знаках. Сначала установите принятую в задаче систему: здесь выделению соответствует Q > 0, поглощению — Q < 0.
Игнорируют коэффициенты и агрегатные состояния. Из-за этого теплоту относят не к тому количеству вещества или считают одинаковыми воду и пар. Проверьте все коэффициенты и обозначения (тв.), (ж), (г), (р-р) перед расчётом.
Используют Q без пересчёта. Значение из уравнения относится к указанным в нём коэффициентам, а не к любой порции вещества. Составьте пропорцию между данным и требуемым количеством вещества.
До изучения темы нужны химические уравнения, коэффициенты, количество вещества, молярная масса и закон сохранения энергии. Эти знания позволяют правильно читать запись реакции и выполнять расчёты.
С физикой тема связана с внутренней энергией, теплотой и способами передачи энергии. Химический процесс можно рассматривать как изменение энергетического состояния системы.
Дальше знания пригодятся при расчётах по термохимическим уравнениям, изучении скорости реакций, горения и энергетики химических производств. Тепловые расчёты помогают оценивать условия проведения технологических процессов.
Почему при одних реакциях пробирка нагревается, а при других охлаждается?
При экзотермической реакции энергии при образовании новых связей выделяется больше, чем затрачивается на разрыв исходных связей, поэтому окружающая среда нагревается. При эндотермической реакции система поглощает теплоту извне, и пробирка может охладиться.
Как по уравнению определить, является ли реакция экзотермической?
Посмотрите, где записан тепловой эффект. Если теплота указана среди продуктов или Q > 0, реакция экзотермическая; если теплота поглощается и Q < 0, реакция эндотермическая.
Почему агрегатное состояние вещества влияет на тепловой эффект?
Для перехода вещества между твёрдым, жидким и газообразным состояниями требуется или выделяется энергия. Поэтому реакция с водой в жидком состоянии может иметь другой тепловой эффект, чем реакция с водяным паром.
Можно ли менять коэффициенты термохимического уравнения?
Можно умножить все коэффициенты на одно и то же число, но тепловой эффект нужно умножить на это же число. Если уравнение разделить на 2, значение теплоты также делят на 2.
Как рассчитать количество теплоты для неполного количества вещества?
Сначала находят, какая часть количества вещества взята по сравнению с коэффициентом в уравнении. Затем тепловой эффект умножают на эту долю, сохраняя его знак или отдельно указывая, что теплота выделилась или поглотилась.
§ 1. Энергетика химических реакций
